传感器技术(红外传感器)

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1、南京信息工程大学传感器技术传感器技术任课教师：刘佳Tel：13951754608Email：liujia@nuist.edu.cn信息与控制学院仪器系红外传感器�红外辐射红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76-1000µm之间，对应的频率大致在4×104至3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4个部分。2信息与控制学院仪器系红外传感器�红外辐射3信息与控制学院仪器系红外传感器�红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度(-273

2、℃)，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积，即c=λ。f4信息与控制学院仪器系红外传感器�红外辐射红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体

3、，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。5信息与控制学院仪器系红外传感器�基尔霍夫定律1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。E=αER0ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能α——物体的吸收系数E0——常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能红外传感器�斯忒藩-玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能

4、量E为4E=σεTT——物体的绝对温度(K)σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)ε——比辐射率，黑体的ε＝1红外传感器�普朗克定律绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为−5c2/λT−1M=Cλ(e−1)λ1式中Mλ为黑体对波长为λ的光谱辐射通量密度；CC1、2为普朗克辐射常数。红外传感器�维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即λm＝2897/T(μm)图中虚线表示了峰值辐射波长与温度的关系，可以看出，随着

5、温度的升高其峰值波长向短波方向移动，在温度不太高时，峰值辐射波长位于红外区域。红外传感器�红外探测器红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器是红外传感器的核心器件。红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。10信息与控制学院仪器系红外传感器�红外探测器（1）热探测器红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。当热探侧器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些

6、物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器的主要优点是：响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。热探测器主要有4种类型：热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。在这4种类型的探测器中，热释电探测器探测效率最高，频率响应最宽，所以这种传感器发展得比较快，应用范围也最广。11信息与控制学院仪器系红外传感器�红外探测器热释电探测器在外加电场作用下，电介质中的带电粒子(电子、原子核等)将受到电场力的作用，总体上讲，正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表面带负电，把这种现象称为电介质的“电极化”。12信息与控制学院

7、仪器系红外传感器�红外探测器热释电探测器对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消失，但是有一类称为“铁电体”的电介质，在外加电压去除后仍保持着极化状态。一般，铁电体的极化强度Ps(单位面积上的电荷)与温度有关，温度升高，极化强度降低。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度被称为居里点，在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数，利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。13信息与控制学院仪器系红外传感器�红外探测器热释电探测器热释电探测器